- Definizione
- Definizione basata su lavoro ed energia
- Equazione e unità di tensione interfacciale
- Misura della tensione interfacciale
- Metodo del piatto Wilhelmy
- Metodo dell'anello Du Nouy
- Metodo pendente a goccia
- Metodo di caduta rotante
- Riferimenti
La tensione interfacciale (γ) è la forza netta per unità di lunghezza esercitata sulla superficie di contatto tra una fase (solida o liquida) e l'altra (solida, liquida o gassosa). La forza netta è verticale rispetto alla superficie di contatto ed è diretta verso l'interno delle fasi.
Quando una delle fasi è un gas, viene solitamente chiamata tensione superficiale. Le fasi in contatto sono immiscibili, cioè non possono dissolversi insieme per formare una soluzione. La regione di contatto tra le fasi è una superficie geometrica di separazione chiamata interfaccia. La tensione interfacciale è dovuta alle forze intermolecolari presenti all'interfaccia.
Forze tra le molecole di un liquido a contatto con l'aria
La tensione interfacciale gioca un ruolo importante in molti fenomeni e processi interfacciali come la produzione di emulsioni e la produzione di petrolio.
Definizione
Le proprietà dell'interfaccia non sono le stesse delle proprietà all'interno delle fasi in contatto, perché si manifestano interazioni molecolari diverse perché in quella regione ci sono molecole che appartengono sia ad una fase che all'altra.
Le molecole all'interno di una fase interagiscono con le molecole vicine, che hanno proprietà simili. Di conseguenza, la forza interna netta è zero perché le interazioni attrattive e repulsive sono le stesse in tutte le direzioni possibili.
Le molecole che si trovano sulla superficie tra le due fasi sono circondate da molecole della stessa fase ma anche da molecole vicine dell'altra fase.
In questo caso, la forza netta non è zero, ed è diretta verso l'interno della fase in cui c'è maggiore interazione. Il risultato è che lo stato energetico delle molecole sulla superficie è maggiore dello stato energetico all'interno della fase.
La forza netta che agisce verso l'interno per unità di lunghezza lungo l'interfaccia è la tensione interfacciale. A causa di questa forza, le molecole tendono spontaneamente a ridurre al minimo l'energia, riducendo al minimo la superficie per ogni unità di volume.
Definizione basata su lavoro ed energia
Per attirare una molecola dall'interno verso la superficie è necessario che le forze che agiscono sulla molecola superino la forza netta. In altre parole, è necessario lavorare per aumentare la superficie interfacciale.
Forza necessaria per aumentare la regione interfacciale. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)
Maggiore è la forza intermolecolare netta, maggiore è il lavoro da svolgere e maggiore è l'apporto energetico. Per questo motivo la tensione interfacciale viene definita anche in funzione del lavoro o in funzione dell'energia, come di seguito accennato:
La tensione interfacciale è il lavoro richiesto per creare un'area unitaria all'interfaccia. Allo stesso modo, la tensione interfacciale è definita come l'energia libera richiesta per unità di area creata.
Equazione e unità di tensione interfacciale
L'equazione della tensione interfacciale in funzione della forza intermolecolare netta è:
γ = F / 2l
Il motivo per cui la tensione interfacciale diminuisce è che all'aumentare della temperatura, aumenta l'energia cinetica a causa dell'aumento del movimento termico delle molecole.
Misura della tensione interfacciale
Esistono diversi metodi di misura sperimentale della tensione interfacciale, tra i quali si può scegliere il più idoneo in base alle proprietà caratteristiche delle fasi a contatto e alle condizioni sperimentali.
Questi metodi includono il metodo della piastra Wilhelmy, il metodo dell'anello Du Nouy, il metodo della caduta del pendente e il metodo della goccia rotante.
Metodo del piatto Wilhelmy
Consiste nel misurare la forza verso il basso esercitata dalla superficie di una fase liquida su una lastra di alluminio o vetro. La forza netta esercitata sulla piastra è uguale al peso più la forza di trazione. Il peso della piastra è ottenuto da una microbilancia sensibile alla torsione fissata alla piastra da un dispositivo.
Metodo dell'anello Du Nouy
In questo metodo, la forza per separare la superficie di un anello metallico da una superficie liquida viene misurata assicurandosi che prima della misurazione, l'anello sia completamente immerso nel liquido. La forza di separazione è uguale alla tensione interfacciale e viene misurata utilizzando una bilancia ad alta precisione.
Metodo pendente a goccia
Questo metodo si basa sulla misurazione della deformazione di una goccia appesa a un capillare. La goccia è mantenuta in equilibrio mentre è appesa perché la forza di trazione è uguale al peso della goccia.
L'allungamento della goccia è proporzionale al peso della goccia. Il metodo si basa sulla determinazione della lunghezza di allungamento della caduta dovuta al suo peso.
Metodo pendente a goccia
Metodo di caduta rotante
Il metodo della goccia rotante è molto utile per misurare tensioni interfacciali molto basse che vengono applicate al processo di produzione di emulsioni e microemulsioni.
Consiste nel porre una goccia di un liquido meno denso all'interno di un tubo capillare riempito con un altro liquido. La goccia è sottoposta ad una forza centrifuga dovuta ad un movimento rotatorio, con grande velocità, che allunga la goccia sull'asse e si oppone alla forza di trazione.
La tensione interfacciale è ottenuta dalle dimensioni della forma geometrica della goccia, in fase di deformazione, e dalla velocità di rotazione.
Riferimenti
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- Blunt, M J. Multiphase Flow in Permeable Media: A Pore-Scale Perspective. Cambridge, Regno Unito: Cambridge University Press, 2017.